汽車單出桿單筒磁流變減振器設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)特性測(cè)試 ①

朱茂飛， 谷 曼， 張春鵬， 邢文靜， 吳 瓊

(1.合肥學(xué)院先進(jìn)制造工程學(xué)院,安徽 合肥 230601;2.江淮汽車技術(shù)中心,安徽 合肥 230601)

0 引 言

車輛懸架系統(tǒng)對(duì)車架起支撐作用，并有效隔離路面不平引起的振動(dòng)和沖擊，以滿足車輛的乘坐舒適性和行駛安全性要求[1]。近年來(lái)，利用磁流變液的流變特性易受外加磁場(chǎng)控制的原理開發(fā)磁流變減振器是可調(diào)阻尼器發(fā)展的方向。由于磁流變減振器具有可控性好、功耗低、響應(yīng)速度快、阻尼力連續(xù)可調(diào)等特點(diǎn)，成為汽車半主動(dòng)懸架領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[2-4]。

磁流變減振器的結(jié)構(gòu)有雙筒單出桿、單筒雙出桿、單筒單出桿三種形式[5]。采用雙筒結(jié)構(gòu)的磁流變減振器不需要設(shè)計(jì)專門的導(dǎo)向和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，得到較為廣泛的研究[6-7]，但是為解決雙筒堵塞問題會(huì)使得減振器結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。雙出桿與單出桿相比，在同等長(zhǎng)度下，減振器最大行程將縮小1/3～1/2，而汽車懸架動(dòng)撓度較大，減振器需要較大的工作行程，因此汽車半主動(dòng)懸架系統(tǒng)不宜采用雙出桿結(jié)構(gòu)[8]。此外，準(zhǔn)確獲得磁流變減振器動(dòng)態(tài)特性，包括阻尼力大小、可調(diào)范圍以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，直接關(guān)系到半主動(dòng)懸架的控制策略設(shè)計(jì)和控制周期的確定。

結(jié)合汽車用減振器的工作特點(diǎn)和技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了基于混合工作模式的單出桿單筒磁流變減振器。根據(jù)流體力學(xué)理論，建立混合工作模式下磁流變減振器計(jì)算模型，對(duì)磁流變減振器的阻尼力、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間及其影響因素進(jìn)行了理論分析，研制了汽車用磁流變減振器樣機(jī)。在MTS809試驗(yàn)機(jī)上對(duì)研制的磁流變減振器進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，得到不同輸入電流和激勵(lì)條件下的示功圖和速度圖、分析磁流變減振器的動(dòng)態(tài)可調(diào)范圍，并對(duì)磁流變減振器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，從而為磁流變減振器的開發(fā)及其在汽車半主動(dòng)懸架中實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 磁流變減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)所選用轎車的技術(shù)參數(shù)：整備質(zhì)量1360kg、減振器最長(zhǎng)420mm、最短310mm、最大行程110mm、外徑45mm，設(shè)計(jì)的氮?dú)庋a(bǔ)償式單出桿單筒磁流變減振器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氮?dú)庋a(bǔ)償式單筒減振器結(jié)構(gòu)圖

考慮到磁流變減振器的外形及安裝尺寸能適合所選車型，設(shè)計(jì)的磁流變減振器的最大拉伸長(zhǎng)度405mm，最小壓縮長(zhǎng)度312mm，最大工作行程93mm，液壓缸內(nèi)徑36mm。磁流變減振器阻尼通道間隙直接影響減振器的阻尼特性，根據(jù)文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)為1.5mm，可得電磁活塞外徑33mm?；钊Y(jié)構(gòu)上采用并聯(lián)雙線圈的形式，阻尼通道有3個(gè)，累計(jì)總長(zhǎng)為20mm。在活塞桿的尾部設(shè)計(jì)了導(dǎo)向活塞，在其上開有3個(gè)足夠大的通孔以保證磁流變液的正常流動(dòng)。為了補(bǔ)償活塞運(yùn)動(dòng)過程中由于活塞桿的存在導(dǎo)致的兩工作腔體積之差，在減振器的底部布置氮?dú)馄つ疫M(jìn)行補(bǔ)償，其壓力選擇為2Mpa。

2 磁流變減振器動(dòng)態(tài)特性理論分析

2.1 磁流變阻尼特性分析

混合工作模式的磁流變減振器簡(jiǎn)化為磁流變液在兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平板之間的流動(dòng)，其阻尼力可以看成工作于流動(dòng)模式下的阻尼力和工作于剪切模式下阻尼力的疊加[10]，見圖2。

圖2 混合模式下的速度分布

假設(shè)磁流變液只在x方向以體積流速Q(mào)層流、考慮定常、連續(xù)、不可壓縮、忽略質(zhì)量力，由流體力學(xué)平衡得運(yùn)動(dòng)方程式

(1)

式中L為阻尼孔累計(jì)總長(zhǎng)度;ΔPO 阻尼通道兩端的壓力差;τ為磁流變液的剪切應(yīng)力

磁流變液在不施加磁場(chǎng)作用下表現(xiàn)為Newton流體，其剪切應(yīng)力用下式描述

(2)

在外加磁場(chǎng)作用下，磁流變液表現(xiàn)為Bingham流體，其本構(gòu)關(guān)系可用下式近似描述[11]

(3)

其中τr為與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)的剪切屈服應(yīng)力;η為磁流變液粘度;v為磁流變液在阻尼孔內(nèi)的流動(dòng)速度

2.1.1 流動(dòng)模式的阻尼力

無(wú)外加磁場(chǎng)作用下，磁流變液運(yùn)動(dòng)方程為

(4)

由邊界條件v(h/2)=v(-h/2)=0解方程(4)得

(5)

在外加磁場(chǎng)作用下，在阻尼孔中，流動(dòng)模式磁流變液可分成三個(gè)不同的區(qū)域，見圖2(a)。

區(qū)域Ⅰ：屈服流動(dòng)，rc/2≤r≤h/2，τ>τr

由式(1)和式(3)可得

(6)

(7)

區(qū)域Ⅱ：剛性流動(dòng)，-rc/2≤r≤rc/2，τ≤τr

中心剛性流動(dòng)區(qū)域的寬度為rc=2Lτr/ΔP,把r=rc/2帶入式(7)得流速分布方程

(8)

由于區(qū)域Ⅲ的流速分布與區(qū)域Ⅰ關(guān)于x軸對(duì)稱，因此磁流變液在阻尼孔間隙內(nèi)的體積流速為

(9)

引入無(wú)量綱變量M和N

(10)

由式(10)可化簡(jiǎn)式(9)為

M3-(1+3N)M2+4N3=0

(11)

根據(jù)磁流變減振器參數(shù)對(duì)式(11)近似計(jì)算可得

M=1+3N

(12)

將式(10)帶入式(12)中可得

(13)

則流動(dòng)模式下磁流變減振器的阻尼力為

(14)

Ap炎電磁活塞的有效面積;

2.1.2 剪切模式的阻尼力

由圖2(b)可見，在阻尼孔中，剪切模式磁流變液的流速在阻尼孔內(nèi)線性分布且發(fā)生屈服流動(dòng)，由式(2)可得

(15)

剪切模式下的阻尼力為

(16)

由式(14)和式(16)可得混合工作模式磁流變減振器的阻尼力為

(17)

考慮到氮?dú)庋a(bǔ)償室的壓力，氮?dú)庋a(bǔ)償式單出桿單筒磁流變減振器的總阻尼力為

(18)

2.2 磁流變減振器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間分析

在活塞運(yùn)動(dòng)速率不變條件下，磁流變減振器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間可以看作磁場(chǎng)強(qiáng)度改變導(dǎo)致的磁流變液由穩(wěn)態(tài)Newton流體發(fā)生流變直到變成穩(wěn)態(tài)Bingham流體所需的時(shí)間。

圖2的平行板間的磁流變液以壓差ΔP作穩(wěn)定流動(dòng)的Newton流體壓差瞬變到ΔP′，其微分方程為

(20)

式中λ(t)滿足：t>0,λ(t)=1;t≤0,λ(t)=0。

利用初始條件式(5)可求得方程(20)的解為

在外加磁場(chǎng)作用時(shí)，壓差為ΔP′的穩(wěn)定Newton流體瞬間變?yōu)锽ingham體，其流速分布方程為

(21)

初始條件為

(22)

利用式(22)可求得方程(21)的解為

(23)

可以看出，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度改變時(shí)，磁流變減振器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間主要由T和T′決定，而影響其響應(yīng)時(shí)間常數(shù)的主要因素是磁流變液的粘度和阻尼孔間隙大小，與磁流變液的剪切屈服應(yīng)力和阻尼孔兩端壓差無(wú)關(guān)。

3 磁流變減振器實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

根據(jù)所選車輛懸架的技術(shù)要求，選用杉工SG-MRF2035磁流變液設(shè)計(jì)制作了磁流變減振器，如圖3(a)所示。參考機(jī)械工業(yè)部筒式減振器臺(tái)架試驗(yàn)方法(QT/T545-1999)在MTS809材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)設(shè)計(jì)的磁流變減振器進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖3(b)，測(cè)試采用正弦波位移加載，活塞最大速度為0.3m/s，勵(lì)磁電流為0-2A。

圖3 磁流變減振器及其臺(tái)架動(dòng)態(tài)特性測(cè)試

3.1 阻尼特性測(cè)試

取振幅為10mm，分別在頻率0.5Hz、1.0Hz、和2.0Hz。取振幅為20mm，頻率為0.5Hz 、1.0Hz；取振幅為25mm，頻率為1.0Hz，每隔0.5A改變勵(lì)磁電流進(jìn)行阻尼特性測(cè)試，部分測(cè)試結(jié)果見圖4-5,曲線從內(nèi)至外依次對(duì)應(yīng)電流為為0、0.5、1.0、1.5、2.0A。

圖4 磁流變減振器示功特性曲線

圖5 磁流變減振器阻尼力-速度特性曲線

由圖4可見，隨著電流的增加，示功特性曲線包圍的面積增大，反映磁流變減振器被動(dòng)地消耗較大的振動(dòng)能量,減振效果增大。電流較大時(shí)，示功特性曲線簇緊密，其原因是由于磁場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，磁流變液接近飽和剪切屈服強(qiáng)度，電流的持續(xù)增大不會(huì)導(dǎo)致阻尼力的顯著變化。示功特性中拉伸行程的阻尼力大于壓縮行程的阻尼力，符合汽車懸架壓縮行程利用彈性元件緩和沖擊，伸張行程利用阻尼元件迅速減振的要求。

當(dāng)電流分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0A時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得阻尼力-速度特性曲線見圖5。由圖可見，阻尼力-速度特性曲線呈明顯的滯回形式；阻尼力與速度為非線性關(guān)系，符合上述的Bingham模型的本構(gòu)關(guān)系。速度較大時(shí)，發(fā)生剪切稀化現(xiàn)象，阻尼力隨速度的增加幅度變緩，速度越大稀化量越大。電流較大時(shí)，曲線簇緊密，也是與磁流變液接近飽和屈服剪切屈服強(qiáng)度有關(guān)。

3.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

采用文獻(xiàn)[12]中磁流變減振器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試的方法，進(jìn)行振幅為25mm，頻率為0.04Hz的三角波方式加載，即活以4mm/s勻速運(yùn)動(dòng)，在減振器的拉伸行程中，電流在0-0.5A、0-1.0A、0-1.5A、0-2.0A之間瞬間突變，試驗(yàn)測(cè)取電流瞬變引起的阻尼力由一種穩(wěn)定狀態(tài)變化到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過渡過程，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 不同電流瞬變下響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果圖

磁流變減振器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間定義為阻尼器從其初始阻尼力值變化到初始阻尼力與穩(wěn)態(tài)阻尼間95%的阻尼力值所需要的時(shí)間，由圖6結(jié)果曲線計(jì)算得到的響應(yīng)時(shí)間見表1。

表1 電流瞬變變大時(shí)的響應(yīng)時(shí)間

表2 電流瞬變變小時(shí)的響應(yīng)時(shí)間

由表1可以看出，電流瞬變范圍的變化對(duì)磁流變減振器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間影響較小，上述理論分析也指出了動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間只與阻尼孔間隙和磁流變液的粘度有關(guān)，與磁流變液的屈服強(qiáng)度無(wú)關(guān)，電流的變化使磁流變液的屈服強(qiáng)度改變，但對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間無(wú)明顯影響。此外，電流瞬變?cè)龃髸r(shí)的響應(yīng)時(shí)間明顯小于電流瞬變變小時(shí)的響應(yīng)時(shí)間，這主要是由于磁流變減振器磁路中的剩磁引起的，剩余磁場(chǎng)的存在阻礙了減振器阻尼力的快速下降?？梢?，設(shè)計(jì)磁流變減振器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間不超過32ms，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)轎車懸架的技術(shù)要求，從工程實(shí)現(xiàn)和保證安裝角度出發(fā)設(shè)計(jì)了氮?dú)庋a(bǔ)償式單出桿單筒磁流變減振器。

(2)建立磁流變減振器阻尼力理論計(jì)算模型，并對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析，磁流變液的粘度和阻尼孔間隙大小是影響響應(yīng)時(shí)間的主要因素。

(3)MTS材料試驗(yàn)機(jī)上動(dòng)態(tài)特性測(cè)試表明設(shè)計(jì)的磁流變減振器能夠滿足汽車對(duì)懸架阻尼性能的要求，具有較寬的阻尼調(diào)節(jié)范圍和較小的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。

(4)理論分析與動(dòng)態(tài)特性測(cè)試結(jié)果為汽車用磁流變減振器的研制以及應(yīng)用提供了依據(jù)。